《工程质量》2009 年第4 期刊登的《盲孔法检测钢结构构件应力的数值模拟研究》一文中,对盲孔法应力检测设备检测钢结构构件应力进行了数值模拟研究。本文旨在通过试验数值分析,来验证盲孔法应用于钢结构构件应力检测的可行性。
试验结果及数值分析
其中,σ1、σ2分别为最大、最小主应力;θ 为最大主应力与1 号片参考轴的夹角;E 为被测材料的弹性模量;ε1、ε2、ε3分别为相应的三个应变片钻孔后产生的释放应变;A、B 为两个释放系数。然而,此类计算方法主要是应用于高应力条件下焊接残余应力的计算,其根本出发点是基于板材厚度较厚、应力水平较高、盲孔周围测量点已部分进入塑性的情况。在大型船舶厚钢板、压力容器中误差不大,但对于荷载作用下板材厚度较薄、应力水平较低的工业及民用钢结构建筑构件的应力检测来说,需要进行专门研究。在钻盲孔时,式(1)中的A、B 值没有解析解,需要通过试验标定来确定,不利于现场快速检测。为此,本文根据试验所采用的相关检测仪器设备,遵循盲孔法的基本原理,从下述几个方面对盲孔法中的释放系数A、B 值进行修正。
需考虑的问题
2.1 切削应力
切削加工残余应力的产生,与机械应力所造成的塑性变形及热应力所造成的塑性变形有关。在钻孔时,材料处于塑性流动状态,钻头周围存在复杂的压缩塑性变形。此外,切削时材料会因为局部温度上升而膨胀,由于受到周围的约束,呈压缩塑性变形,当冷却之后将产生拉伸残余应力。因此,一般切削后产生的残余应力,多表现为拉伸应力。影响切削残余应力的主要因素是钻头直径、切削深度、材料成分以及钻孔速度和钻孔时对电钻施加的压力等。钻头越大,深度越大,切削产生的残余应力越大;碳素钢的含碳量越低,切削产生的残余应力越大;钻孔速度越快,压力越大,切削产生的残余应力越大。
2.2 正应力不均匀
按照材料力学基本假定,构件在荷载作用下,在弹性阶段时,截面距中和轴距离相同的受拉、受压纤维,其正应力大小相同,方向相反。表现在双轴对称截面如H 型钢梁上,即为翼缘钢板沿钢板宽度方向截面同一高度处正应力相同,表现为翼缘钢板沿钢板长度方向为各向同性、均匀应力场,可以满足盲孔法基本假定的要求。然而构件在实际受荷状态下,该正应力沿翼缘截面宽度方向并不是均匀分布的,且此不均匀程度随翼缘钢板外伸宽度更为明显,可能影响均匀应力场这一盲孔法之基本假定,需对此进行研究,分析此正应力不均匀现象的影响,并且加以修正。
此外,由于盲孔法检测钢结构构件应力的统计数据要求,仅布置一两个测区并不能准确评价构件截面的正应力水平,需要对同一截面不同位置多处开孔。但这可能造成不同程度的应力集中,从而更进一步不满足材料力学正应力均匀的假定,进而不满足盲孔法的基本假定。
2.3 平面应力状态
除了H 型钢梁翼缘外伸宽度对盲孔法均匀应力场假定的影响之外,被检测构件尚需满足平面应力状态假定。平面应力假定要求荷载及边界条件沿截面保持不变,但对H 型钢翼缘钢板而言,在其截面中轴线(翼缘宽度方向)位置存在腹板钢板,从而不满足边界条件沿截面保持不变的要求,需要研究其对典型平面应力场假定的影响。上述三类情况均需在盲孔法通用公式中采取修正措施,采用引入修正系数的方法来进行修正。
试验结果及数值分析
4.1 关键参数A、B 值的影响因素
综合现场的试验结果,可以得出盲孔法实测释放应变值与施加外荷载的关系,构件的释放应变值随着工作应力的增大而增加,基本上呈线性关系,结合盲孔法基本公式(1),可以大体看出A、B 值随应力水平的变化情况,基本上与应力水平无关。但在高应力区,由于塑性应变的影响,造成A、B 值不准确的情况,将在下文进行阐述。
为了保证试验结果的科学可靠,本次试验还进行了部分与盲孔法应力检测设备对应位置(与所开盲孔以H 型钢腹板对称布置)的未开孔情况下的实测工作应力,为后期A、B 值的计算分析提供第一手试验数据。工作荷载与实测对照应力值关系如图4 所示。从图4 可以看出,其与图3 所示规律大致相同,即可以初步得出A、B 值基本上与应力水平无关的结论。
4.2 试验所得A、B 值
如上文所述,以实测应力值为准,根据下式计算各试验构件的A、B 值。计算结果如图5、图6 所示。从计算结果可以看出A、B 值的大致分布情况。当所开盲孔深度、孔径、测量应变片布置一致的情况下,所计算出的A、B 值基本上与构件的工作应力水平无关,这也印证了上文所述的盲孔法应力检测设备应用于实际工程中、负荷状态下钢结构构件应力水平测量方法的可行性为使计算分析准确合理,综合试验构件样本,可得本次试验计算的A、B 值如图7 所示。
总结上述计算成果,得到未经钻孔切削应变修正后的A、B 值,其中,A=-0.06948,B=-0.18103。此综合A、B 计算值为初步值,其中包括了当前试验中所有的实际应变影响,如构件整体并非完全处于纯弯曲状态、构件试验中钻头钻孔时切削等的影响,近似与实际工程中构件的应力水平一致。
5 结语
通过试验研究,验证了盲孔法应力检测设备应用于钢结构构件应力检测的可行性,给出了盲孔法应力计算中的关键参数A、B 的回归值,为钢结构构件应力检测提供了新的方法。